Os rádios são agora multibanda e os engenheiros de design de amplificadores de potência (PA) estão a elevar a potência de saída dos PA a limites cada vez maiores. Este artigo centra-se nos PA de 80 W com múltiplos PA no sistema. Tornou-se comum ver plataformas de unidades de rádio remotas (RRU) de 1400 W. No entanto, os operadores de rede desejam que estas RRUs sejam mais eficientes em termos energéticos, mais fiáveis ​​e mais compactas à medida que a densidade de cobertura aumenta. Os pontos de carga (PoLs) devem operar com amplas gamas de tensão de entrada e temperatura de funcionamento e, principalmente, devem ser economicamente viáveis. Contudo, para aplicações que exigem 500 W ou mais de potência, o projeto magnético e as perdas de condução no circuito secundário de um conversor forward com clamp ativo tornaram-se difíceis de gerir devido à necessidade de um esquema de controlo avançado para manter o atraso entre o clamp ativo e o acionamento do gate da chave principal. Este artigo apresenta uma solução de PoL escalável e empilhável de -48 VCC que irá satisfazer os cenários de utilização de energia de alta densidade criados por estas redes de alta densidade devido ao enorme crescimento do tráfego de rede.
Introdução:
Os sistemas de redes sem fios e de telecomunicações operam normalmente com uma alimentação de -48 VDC_.Como a energia CC é mais simples, foi possível construir sistemas de alimentação de reserva através de baterias, sem necessidade de inversores. A corrente contínua pode ser armazenada em baterias, que podem continuar a funcionar durante um período após uma falha de energia. No entanto, a tensão de -48 VCC deve ser primeiro convertida para uma tensão positiva de barramento intermédio antes de poder ser elevada para alimentar o amplificador de potência (PA) ou reduzida para uma alimentação positiva viável para unidades de banda base digitais (BBUs). Uma fonte de alimentação com uma capacidade de 100 W a 350 W era suficiente para satisfazer muitas aplicações. Os conversores forward eram uma boa escolha e têm sido utilizados há anos em BBUs de telecomunicações e unidades de retransmissão remota (RRUs). Com a crescente procura de dados móveis, continuam a surgir novos mercados e aplicações. Atualmente, os conversores forward enfrentam desafios significativos, especialmente quando os requisitos de potência de saída para estes novos projetos de rádio excedem os 500 W. Neste artigo, apresentamos um controlador inversor buck-boost multifásico de alta tensão, empilhável e intertravável, que irá satisfazer todos os requisitos e desafios para satisfazer as exigências atuais dos equipamentos de telecomunicações 5G. Mas primeiro, de onde vem a tensão de -48 V CC_e porquê o potencial negativo?

Sistema de alimentação CC típico para telecomunicações:
As redes de telecomunicações e sem fios operam normalmente com -48 V_CC, mas porquê? Resumidamente, -48 V_CC, também conhecido como sistema de ligação à terra positivo, foi escolhido por fornecer energia suficiente para suportar um sinal de telecomunicações, sendo ao mesmo tempo mais seguro para o corpo humano durante as atividades de telecomunicações. As normas de segurança e os códigos elétricos atuais consideram que qualquer circuito que opere com 50 V_CC ou menos é um circuito de baixa tensão seguro. Outra razão é que -48 V_CC permite aos operadores de telecomunicações utilizar facilmente baterias de chumbo-ácido de 12 V ligadas em série como fonte de alimentação de reserva em caso de falha no fornecimento de energia da rede elétrica. A tensão negativa de 48 V_CC continua a ser o padrão nas instalações de comunicação que prestam serviços com e sem fios, uma vez que é considerada menos corrosiva (ou pelo menos inibe a corrosão galvânica) nos metais do que as tensões positivas. A Figura 1 apresenta um esquema simplificado de um sistema de alimentação CC típico para telecomunicações, enfatizando a forma como os -48 V_CC. O sistema de energia CC para telecomunicações inclui normalmente a rede elétrica nacional, um gerador a diesel, um interruptor de transferência automática CA (ATS) autónomo, um sistema de distribuição de energia, painéis ou conjuntos solares, controladores e carregadores, retificadores, baterias de reserva ligadas em série e os cabos e disjuntores correspondentes.

Figura 1. Esquema simplificado de um sistema elétrico típico de telecomunicações em corrente contínua.

Quando a energia da rede elétrica é interrompida, o gerador a diesel está concebido para arrancar automaticamente, fornecendo energia CA ao sistema de porta CC. O ATS sincroniza as tensões das várias fontes com os equipamentos. Como a maioria dos equipamentos de telecomunicações do local requer uma fonte de alimentação CC, a energia CA da rede elétrica ou do gerador a diesel é convertida para -48 V_CC por retificadores. Estes retificadores redundantes são utilizados para converter a energia CA em -48 V CC, que é utilizada para carregar as baterias e alimentar cargas críticas. As baterias, que são do tipo flutuante, fornecem energia de -48 V_CC aos equipamentos de telecomunicações ou a outras cargas, caso os retificadores falhem. O BTS ou RRH não nota qualquer diferença no fornecimento de energia real, e tudo continua a operar normalmente. Quando a energia da rede elétrica é restabelecida, os retificadores retomam o controlo. Na sua essência, toda a instalação funciona como um grande sistema de alimentação ininterrupta (UPS).

Limitações do Conversor Forward
Agora que já compreendemos a origem de -48 V_CC, vamos discutir uma das topologias de PoL mais utilizadas na indústria para converter -48 V_CC em tensões positivas. Muitos designers de PoL para telecomunicações utilizam um conversor forward com clamp ativo para implementar o seu projeto buck-boost invertido. Outras versões de circuito também utilizadas são os conversores push-pull, meia-ponte ou ponte completa. A vantagem é que a maior parte da energia de fuga do transformador é recuperada através do seu método de recuperação com perdas quase nulas. É importante que o projetista de PoL compreenda primeiro o tempo básico de reset do clamp ativo. De facto, o dimensionamento incorreto do condensador de clamp pode levar a um aumento do ciclo de trabalho do PoL, o que pode causar a saturação do transformador e afetar a fiabilidade a longo prazo do interruptor principal. A Figura 2 mostra o projeto de um circuito conversor forward com clamp ativo convencional com reset do transformador no lado de baixa tensão. O mecanismo de rearme do transformador inclui o CCLAMP e o Q1.

Figura 2. Projecto de um conversor forward convencional com reset por transformador de baixa tensão. Um projeto de conversor forward convencional com circuito de reset ativo por transformador de baixa tensão.

Algumas desvantagens associadas ao clamping ativo incluem a necessidade de um dimensionamento preciso do condensador de clamping. Um condensador de valor elevado resulta numa menor ondulação de tensão, mas introduz uma limitação na resposta transitória. A topologia forward do clamping ativo requer técnicas de controlo avançadas para sincronizar o atraso entre o clamping ativo e o disparo do disjuntor principal. Outra desvantagem é que, se não estiver limitado a um valor máximo, um ciclo de trabalho mais elevado pode levar à saturação do transformador ou a uma tensão mais elevada no disjuntor principal, o que pode ser catastrófico. Por fim, o conversor forward do clamping ativo é um conversor CC-CC de estágio único. À medida que os níveis de potência aumentam — por exemplo, os equipamentos de 800 W em sistemas 5G estão a tornar-se a norma — um design multifásico apresentará mais vantagens para estas aplicações de alta potência. Um conversor monofásico perde todos os benefícios da operação multifásica intercalada. Além disso, um projeto forward de clamping ativo não pode ser escalado para uma potência de saída mais elevada com resultados semelhantes aos de um projeto de potência de saída mais pequena. O conversor buck-boost invertido MAX15258 é apresentado na secção seguinte. A Figura 3 mostra um diagrama de blocos típico de alto nível da fonte de alimentação de uma placa RRU macro ou Femto 5G. Um driver hot-swap é quase sempre posicionado antes do conversor_CCdrivers hot-swap_CC são o ADM1073 e o LTC4284, que são bastante adequados para estas aplicações.

Figura 3. Diagrama de blocos da fonte de alimentação para uma estação base macro 5G.

Circuitos Integrados em Destaque:
O MAX15258 é um driver boost multifásico de alta tensão com interface digital I2C, concebido para suportar até dois drivers MOSFET e quatro MOSFETs externos em configurações boost/buck-boost inversoras monofásicas ou bifásicas. Podem ser empilhados dois drivers para uma configuração trifásica ou tetrafásica. O dispositivo controla as fases com o deslocamento de fase apropriado para obter o máximo cancelamento da ondulação. Quando configurado como um conversor buck-boost inversor, o MAX15258 possui um interruptor de nível de feedback de alta tensão interno para detetar diferencialmente a tensão de saída. A Figura 4 mostra o diagrama de blocos simplificado de um conversor buck-boost inversor bifásico intercalado.

Figura 4. Diagrama de blocos simplificado de um conversor buck-boost invertido bifásico intercalado.

Com este circuito integrado, os projetistas não têm de considerar um potencial desequilíbrio de fase (15% a 20%) durante os cálculos de projeto, como ocorreria com os projetos de conversores forward. O controlador baseia-se numa arquitetura de modo de corrente de pico de frequência fixa, que proporciona uma resposta transitória rápida para regular a saída. Um diagrama de blocos detalhado do circuito de controlo é apresentado na folha de dados do dispositivo. O dispositivo monitoriza a corrente do MOSFET do lado baixo de cada fase através do sinal RSENSE e utiliza um sinal de deteção de corrente diferencial para garantir o comportamento adequado do equilíbrio de corrente da fase ativa quando dois circuitos integrados MAX15258 são empilhados numa configuração de nó host. O desequilíbrio de corrente é aplicado ao circuito de deteção de corrente ciclo a ciclo como feedback, ajudando na regulação para que a corrente de carga seja distribuída uniformemente entre as duas fases. Em funcionamento trifásico ou tetrafásico, o dispositivo do nó utiliza os sinais diferenciais (CSIO+, CSIO-) para comunicar a sua corrente média ao controlador host. Esta função precisa de equilíbrio de corrente é o que torna o MAX15258 tão atraente para os designers de PoL (Power over Logging). A Figura 5 mostra o conversor buck-boost _inversor de 800 W, 4 fases, com _entrada de -48 V e saída de +48 V, com os sinais CSIO+ e CSIO- a ligar os dois drivers. Note que os pinos SYNC de ambos os dispositivos também estão ligados para garantir a sincronização do relógio para o esquema de comutação de fase coordenada.

Figura 5. Conversor Buck-boost invertido de 4 fases intercalado -48 VIN para +48 VOUT 800 W com sinais CSIO+ e CSIO- ligando os controladores.

Mais uma vez, o MAX15258 é fundamentalmente um conversor boost a operar a uma frequência relativamente baixa. Isto reduz naturalmente as perdas de comutação, que são o maior fator contribuinte para a perda de potência nestes conversores. O dispositivo foi concebido para suportar frequências de comutação até 1 MHz. Na operação multifásica, as fases operam em paralelo e todas à mesma frequência (mas intercaladas). A frequência equivalente total é N × Freq, onde N é o número de fases, mas as perdas são as da frequência de cada conversor. A implementação intercalada resulta em algum cancelamento da corrente de ondulação vista pelo condensador de saída. A corrente de ondulação de entrada é significativamente reduzida, permitindo a utilização de indutores de entrada mais pequenos. A utilização da tecnologia proprietária de indutor acoplado (CL) da ADI também ajuda a atenuar a corrente de ondulação de saída, possibilitando a utilização de condensadores mais baratos com classificações de corrente de ondulação mais baixas. Isto leva a um aumento da eficiência, reduzindo a área total ocupada na placa de circuito impresso (PCB) do PoL. Essencialmente, isto proporciona uma elevada potência de saída a uma frequência total elevada equivalente, mas com cada conversor a operar numa região de baixa perda e baixa frequência. Esta é a chave para a solução de ponta do MAX15258 para a conversão de -48V _CC .
A topologia forward com clamp ativo limita a capacidade de atingir ciclos de trabalho elevados, dificultando a operação de certas combinações de V_{_IN} e V _{_OUT} . Com os fabricantes de equipamento original (OEM) de telecomunicações a combinar diferentes gamas de frequência nas mesmas plataformas, a capacidade de suportar diferentes gamas de tensão de saída do amplificador de potência (PA) tornou-se um requisito desafiante. A potência de saída de um conversor forward com clamp activo é limitada. O MAX15258 cumpre o requisito de espaçamento entre pinos da norma IPC9592B para tensões de pico até 56 V. A norma IPC9592B fornece uma fórmula para calcular o espaçamento da superfície da placa de circuito impresso para tensões de funcionamento de 30 V a aproximadamente 100 V: Espaçamento (mm) = 0,1 + V_{_PEAK} × 0,01 (por exemplo, no caso de 56 V, isto traduz-se num espaçamento de 0,66 mm entre os pinos de alta tensão e os restantes pinos).
Em última análise, o conversor forward ativo com clamp-on requer muitos passos complexos para garantir que o transformador não satura. No entanto, o MAX15258 inverte a tensão automaticamente, conseguindo uma potência de saída muito elevada com uma eficiência excecional e um ciclo de trabalho superior. Estas características permitem um design de plataforma escalável e empilhável (até quatro fases), proporcionando um controlo de ciclo de trabalho flexível e estável para acomodar uma vasta gama de valores de V_{_IN} e V _{_OUT} . A Figura 6 mostra as curvas de eficiência de um projeto de referência MAX15258 de 800 W baseado num indutor acoplado a diferentes _{valores de} V_{_IN} e V _OUT. Os gráficos demonstram claramente valores de eficiência excelentes, na gama dos 98% ou superiores, devido às menores perdas por condução. E tudo isto a um custo comparativamente mais baixo.

Figura 6. Curvas de eficiência do MAX1525. Curvas de eficiência do projeto de referência MAX15258 CL 800 W a diferentes valores de V_{_IN} e V_{_OUT.}

Através da interface digital I2C, o utilizador pode ler uma grande quantidade de informação de telemetria do MAX15258, como V_{_IN}, V_{_OUT}, correntes de fase e estado de falha. Além disso, a tensão de saída pode ser ajustada dinamicamente através da interface digital. A Figura 7a apresenta o diagrama de Bode medido do projeto de referência MAX15258 CL 800 W a funcionar sob corrente de carga em regime permanente com -48 V_{_IN} e +48 V_{_OUT} (16 AI_{_OUT}). O resultado é uma margem de fase de 74,4° e uma margem de ganho de -20,7 dB. A Figura 7b mostra os gráficos de resposta transitória da carga. Como se pode observar, as transições são muito suaves, praticamente sem sobreimpulso e sem oscilações.

Figura 7. (a) Diagrama de Bode medido em funcionamento com corrente de carga em regime permanente; (b) resposta de carga transitória: Ch3-V_OUT (AC), 1 V/div; Ch2-ILOAD, 10 A/div.

Conclusão:
Os operadores de rede terão de implementar mais small cells em mais locais e mais rapidamente do que nunca. E, claro, os componentes de conversão de energia (PoL) destes produtos devem ser altamente eficientes, com uma eficiência de conversão de energia de, pelo menos, 98%. O design do driver buck-boost de alta tensão MAX15258 é económico, eficiente e escalável, permitindo que as fases sejam facilmente adicionadas e removidas no mesmo layout de PCB. Estas vantagens permitem aos projetistas de conversores de energia expandir a eficiência de conversão de energia. A ADI continuará a abordar estes e outros desafios semelhantes, desenvolvendo mais soluções de conversão de alta potência de -48 V_CC concebidas para o mercado 5G, aproveitando a sua considerável experiência em arquiteturas de fontes de alimentação.

Sobre o autor:
Hamed M. Sanogo é especialista em mercados finais para a cloud e comunicações no Grupo de Aplicações Globais da Analog Devices. Hamed formou-se em Engenharia Eletrotécnica pela Universidade de Michigan-Dearborn e, posteriormente, obteve um MBA pela Universidade de Dallas. Após a licenciatura, Hamed trabalhou como engenheiro de projeto sénior na General Motors e como engenheiro elétrico sénior e designer de placas de banda base Node B e RRH na Motorola Solutions antes de se juntar à ADI. Hamed passou os últimos 17 anos em diversas funções, incluindo engenheiro de aplicação de campo/gestor de engenharia de aplicação de campo, gestor de linha de produtos e, atualmente, especialista em mercados finais para comunicações e cloud.